深埋隧道穿越围岩破碎带变形控制技术研究

胡细根

(中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 100855)

1 引言

随着我国经济的快速发展，国家对西部地区的开发力度逐渐增大，在铁路网的规划中，为了穿越崇山峻岭，避免不了建设深埋长大隧道。深埋隧道地质条件复杂，由于构造应力的存在，隧道开挖围岩易发生大变形、底鼓等现象。因此，研究深埋隧道的支护措施对于减小隧道变形具有重要的现实意义。关于深埋高地应力条件下隧道支护技术，国内外学者做了大量研究工作。江权，冯夏庭等[1]从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP 分析方法，为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据；朱维申等[2]对高地应力条件下地下洞室开挖过程中的力学及变形规律进行了模型试验和数值模拟分析；刘招伟等[3]针对乌鞘岭隧道高地应力段出现的初期支护大变形问题，通过模型试验对不同支护条件下的隧道变形和支护结构内力进行了监测、分析；张志强和关宝树[4]以及陶波等[5]使用FLAC 对高地应力条件下软弱围岩隧道的变形规律进行了数值模拟分析；徐干成(2001)认为，围岩变形引起的压力必须通过支护结构与围岩共同作用来求得，围岩的特征曲线和支护特性曲线是围岩—支护相互作用研究的重要内容[6]。蔡景献[7]就控制高地应力千枚岩隧道大变形问题提出了支护结构宜“先柔后刚、先放后抗”原则。夏松林等[8]结合某地下工程施工软岩实际情况，采用专业岩土分析软件FLAC3D 建立相应的数值模型，对支护设计参数的围岩控制效果进行了分析，并与现场实际观测效果进行了比较，认为格栅钢架+喷混凝土初期支护来控制软岩的流变是科学有效性的支护措施。

本文以天河山隧道为工程背景，利用FLAC3D 有限差分软件研究了不同支护措施（超前小导管注浆、管棚注浆、掌子面超前注浆）对隧道变形的控制效果，确定了深埋隧道穿越围岩破碎带采用洞身管棚、超前小导管注浆、掌子面超前注浆和两台阶临时横撑法的施工方法，可为类似工程提供参考。

2 工程概况

天河山隧道呈东西走向，位于山西省左权县和河北省邢台市交界处，穿越太行山山脉，太行山脉总体为南北走向，地势北高南低，中间高两边低。线路基本为东西走向，于D2K43+090 前后穿越太行山山脊，山脊小里程侧为山西省，大里程侧为河北省。

天河山隧道起讫里程D2K33+710～D2K45+405，长度11695 m，为单线隧道，隧道一般埋深100～300 m，最大埋深615 m，均为V 级和VI 级围岩。隧道为单斜构造，总体上位于以太古界地层为核部、两翼分别向西北和东南延伸的大背斜的西北侧翼部，受太行大断裂的影响较强烈，隧道洞身较发育一系列北西向、近南北和北东向断裂和节理密集带，对隧道影响较大。

本隧道地质构造带包括21 条断层、6 条节理密集带及1 处裂隙带。施工中坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则。地质预报超前，监控量测紧跟。超前支护措施主要包括大管棚超前支护、小导管超前支护、径向注浆、超前帷幕注浆、超前周边注浆、围岩径向注浆等。

3 隧道变形控制措施分析

为了确定隧道穿越深埋围岩破碎带的超前支护措施，利用FLAC3D 有限差分软件分析不同支护措施对隧道变形的控制效果。

3.1 分析模型

借助FLAC3D 有限差分软件对隧道施工过程采用超前支护的力学效果进行数值模拟计算分析。模型左、右及下边界围岩范围取3 倍洞径，上边界取40m，隧道埋深300m，通过施加初始地应力来模拟隧道深埋效果。上边界采用自由边界，其余边界约束法向位移。计算模型如图1 所示。

图1 计算模型图

模型仅考虑自重应力场，围岩视为连续、均质、各向同性介质。采取实体单元来模拟围岩和支护，围岩和支护结构均采用摩尔—库伦力学本构模型。数值模拟时对超前管棚、超前小导管和掌子面加固采取提高加固范围内围岩参数的方法，根据现场施工方案确定管棚加固范围按管棚周边60 cm、超前小导管加固范围按小导管周边40 cm、管棚和小导管加固范围自初期支护顶部向上100 cm 考虑。

隧道开挖采用两台阶法，施工步序如图2 所示。

图2 施工步序图

3.2 计算参数

初期支护喷混凝土强度为C25，二次衬砌采用C30 模筑混凝土，围岩物理力学参数根据勘察资料选取，根据《铁路隧道设计规范》选取支护结构物理力学参数，管棚、小导管及掌子面加固区力学参数通过参考相关文献及施工经验确定，围岩及支护结构物理力学参数见表1 所示。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

3.3 计算工况

本隧道穿越围岩破碎带采用台阶法开挖，将隧道施工中采取的超前支护措施分为3 种工况进行数值模拟计算分析，3 种工况对应的超前支护措施见表2。

台阶法施工的隧道断面变形控制内容包括：左右水平收敛、拱顶下沉和仰拱隆起。考察断面取为模型中心横断面，在断面的拱顶、仰拱底和左右边墙相应位置布置测点，如图3 所示。

表2 三种工况对应超前支护措施

3.4 结果分析

3.4.1 隧道断面位移分析

隧道开挖采用正台阶法，开挖步长为1.1 m，台阶长度2.2 m，量测点距离掌子面3.3 m 时隧道初支完全封闭。隧道拱顶沉降时程曲线如图4 所示，稳定后拱顶沉降量如表3 所示；隧道拱顶沉降时程曲线如图5 所示，稳定后仰拱隆起量如表3 所示；由于隧道模型为对称的，故只对左侧边墙收敛情况研究。隧道左侧边墙位移时程曲线如图6 所示，稳定后左侧边墙位移量如表3 所示。

图3 测点布置示意图

图4 拱顶沉降时程曲线

图5 仰拱隆起时程曲线

图6 左侧边墙位移时程曲线

表3 三种工况变形稳定后隧道断面各测点位移量

由图4～图6 和表3 可知：

（1）随着隧道的掘进，隧道断面各测点位移逐渐增大，掌子面离开28.5m 后，隧道围岩变形趋于稳定。

（2）工况一条件下，隧道拱顶沉降量最大，稳定后拱顶沉降量为9.26mm；工况三条件下，隧道拱顶沉降量最小，稳定后拱顶沉降量为6.56mm。

（3）工况一条件下，隧道仰拱隆起量最大，稳定后仰拱隆起量为11.56mm；工况三条件下，隧道仰拱隆起量最小，稳定后仰拱隆起量为10.29mm。

（4）工况一条件下，隧道左侧边墙收敛值最大，稳定后收敛值为6.36mm；工况三条件下，隧道左侧边墙收敛值最小，稳定后收敛值为5.26mm。

3.4.2 隧道塑性区分析

各工况隧道围岩塑性区分布情况见表4。

表4 三种工况稳定后塑性区

由表4 可得：

（1）隧道开挖引起围岩变形，隧道顶部和底部较左右侧先进入塑性区；

（2）隧道初期支护顶部和底部发生剪切和拉伸破坏；

（3）工况二和工况三条件下，隧道支护结构和围岩塑性区显著减小。

4 结语

本文根据实际勘察资料和现场施工方案，利用FLAC3D 有限差分软件研究了天河山隧道在穿越围岩破碎带时，3 种不同的超前支护方式产生的加固效果。

（1）通过分析三种工况下隧道结构的变形可知，采用超前管棚、小导管注浆、掌子面超前注浆的支护方法效果最好，可有效地减小隧道的收敛变形及围岩和支护结构的塑性区。

（2）隧道所处的地质条件下，隧道的顶部和底部的变形值较大，初支结构的顶部和底部较其他部位更早进入塑性阶段，此两处应为重点关注部位，在实际工程施工中适当采用临时支撑的形式来过渡道整个隧道断面闭合成环，可加强拱顶和仰拱中线处支护结构的抗剪和抗拉强度。